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光电探测器简介

在光电系统中,光电探测器扮演了非常重要的作用。它就好比光电系统的“眼睛”,对外来的光信号进行测量,并转换为电信号用于后续的信号处理。本片笔记中,笔者调研了一些常用的光电探测器,及其工作原理和性能。

光信号转换为电信号主要基于材料的光电效应,爱因斯坦因为利用光量子理论成功解释了光电效应而获得了1921年的诺贝尔物理学奖。广义上说,因为光的入射导致材料的电学效应发生变化的这一类现象,都是光电效应。这主要包括材料因为光入射而发射电子、材料的电导率因为光入射而发生变化、材料因为光入射而产生电动势的变化等。

既然光电探测器就是把光信号转换为电信号,很自然地就会有一些参数才表征这个转换过程。常用的特征参数有:

1) 响应度(Responsibility)

顾名思义,它的大小表示器件光电转换的效率,定义为输出光电流与输入光功率之比。数值越大,表示转换效率越高,具体的公式如下,

其中eta表示量子效率,由此公式可以简单算出响应度的理论最大值。

与响应度经常混淆的一个物理量是灵敏度(sensitivity), 它表示的是探测器所能探测到的最小光信号。

2) 暗电流(dark current)

它表示探测器在不接受光辐照时的电流大小,它主要电子的无规则热运动引起。通常只能靠温度降低来抑制电子的热运动,从而降低暗电流。

3) 响应时间(Response time)

它主要表征探测器对受调制光信号的响应能力,也就是探测器的频率响应。光信号到来时,探测器不是立马就感知到光信号,而是有一个滞后过程,对应输出电流或电压曲线的上升时间。这个滞后的时间,就是响应时间。

响应时间越短,单位时间能探测到光脉冲的数目越多,探测器的带宽越大。响应时间和探测器的RC参数、材料的吸收系数有关。需要注意的是,这里的带宽不要与探测器工作波长的带宽相混淆。

光电探测器还有一些其他参数,比如工作波长、工作温度、灵敏度、线性度等。

下面列举一些常用的光电探测器。

1)光电倍增管(photomultiplier,简称PMT)

结构示意图如下图所示,当一定波长的光入射到光电阴极时,光子的能量大于阴极材料的功函数时,就会有电子从材料表面发射出来。发射出的电子受电场的加速作用,到达倍增电极,又会激发出新的电子,如此直到电子到达阳极,经过这一系列倍增电极的作用,原先较小的电流会被放大很多倍。整个倍增管内部处于真空环境,用于减少由于电子与气体分子碰撞带来的能量损耗。

光电阴极的材料选取比较重要,它直接决定了探测器的波长相应特性以及探测器的灵敏度。常用的阴极材料有Ag-O-Cs、GaAs:Cs、Sb-Cs。

光电倍增管具有高电流增益、低噪声、响应时间短的性质,可用于测量比较微弱的信号,例如量子光学中的单光子探测器。但是它的结构复杂、体积较为庞大、成本高,并且需要工作在高电压。

2)光敏电阻(photoresistor)

它的主要工作原理是没有光信号入射时,材料的电阻较大;当光信号入射时,材料中的电子被激发到导带,成为自由电子,材料的电导率增大, 对应电阻降低,电路中的电流就会增大。光信号强度的变化导致电路中电流的变化。

(图片来自http://www.elecfans.com/yuanqijian/guangmin/20091201120666.html)

常用的光电阻材料为CdS和InSb。光敏电阻的优点是没有极性的限制,可以在交流电下工作,可探测的波长范围比较宽。它的缺点是响应时间长,频率特性比较差,受温度的影响比较大。

光敏电阻常用于开关控制,比如路灯的自动开关。

3) 光电二极管(photo diode)

当光子在PN结中被吸收后,产生电子-空穴对,受PN结内建电场的作用,电子向阳极运动,空穴向阴极运动,从而产生光电流。当外加电场为反偏时,内建电场增强,光生载流子可以更快速地漂移;另一方面 ,耗尽区的宽度变宽,导致结电容变小,RC时间变短,频率带宽变好。耗尽区宽度变宽后,增加了光吸收的区域,量子转换效率增大。但是随着耗尽区的增大,载流子的渡跃时间会增大,渡跃时间也会影响探测器的频率响应。实际设计时,需综合考虑这些因素的影响。

由于光电二极管没有放大功能,需要结合外部放大电路使用。光电二极管的体积小、成本低、灵敏度高、响应时间短,用途十分广泛。光模块所使用的探测器就是光电二极管。

当所施加的反偏电压非常大时,载流子穿过耗尽区后的动能非常高,以至于导带中的电子与载流子碰撞后,产生新的自由电子,这就是所谓的雪崩效应。雪崩二极管的灵敏度高,频率带宽大,可用于检测微弱的光信号,但是它的暗电流比光电倍增管的暗电流大。

以上简单介绍了几种常用的光电探测器,在光芯片可集成光电二极管用于探测光信号。后续再对芯片上的探测器做详细介绍。

文章中如果有任何错误和不严谨之处,还望不吝之处!

本文分享自微信公众号 - 光学小豆芽(photonwalker),作者:Photonwalker

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原始发表时间:2017-07-30

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